Разработка стенда для изучения режимов работы системы электропитания малого космического аппарата
В ходе работы был разработан учебный стенд для изучения режимов работы системы электропитания малого космического аппарата. В результате исследования были рассчитаны и промоделированы понижающие импульсные преобразователи, подобраны необходимые компоненты и разработана принципиальная электрическая схема модели системы электроснабжения малого космического аппарата.
Малые космические аппараты (МКА) – это условное обозначение
класса космических аппаратов, имеющих массу до 1000 кг (граница
условная). Во всем мире активно развивается новое и перспективное
направление в космической отрасли – это создание современных МКА, что
увеличивает возможность доступа к космосу еще большему количеству
государственных и частных компаний. С каждым днём количество запусков
МКА растёт, а область их применений охватывает важные практические
задачи: связь и теле-радио-вещание, дистанционное зондирование Земли,
океанография, метеорология, геодезия. Кроме того, МКА применяют для
научных исследований в космосе, например, отработки новых концепций
построения бортового оборудования и обучения молодых специалистов
(университетские МКА).
Упрощение конструкции космического аппарата (КА) и снижение
его массогабаритных показателей, уменьшает стоимость разработки и
изготовления самого аппарата, а также стоимость услуг по выведению его
на орбиту. Это объясняет растущий интерес заказчиков к МКА. Однако
разработчикам МКА выдвигаются жесткие требования к высокому уровню
надежности, радиационной стойкости, длительному сроку службы и других
важных параметров. Таким образом, для разработчиков стоит сложная
задача – найти компромисс между уменьшением массогабаритных
показателей бортовых систем и сохранением высокого уровня требований,
предъявляемых к параметрам космической техники. В связи с этим
непрерывно ведётся поиск наиболее оптимальных технических решений
построения бортовых систем МКА. Особенно это касается системы
электроснабжения (СЭП), так как она является наиболее крупногабаритной
и должна быть отказоустойчивой (в первую очередь от СЭП зависит
функционирование всего КА). Достаточная отказоустойчивость СЭП часто
достигается с помощью различных способов резервирования её элементов,
однако в зависимости от структуры построения аппаратуры регулирования
и контроля СЭП (АРКСЭП) повышение живучести может вызвать
недопустимое для МКА увеличение массогабаритных показателей.
2 Обзор литературы
В данной главе проведен обзор структурных схем систем
электропитания автоматических космических аппаратов и их источников
энергии. Выявлены тенденции в области разработки и создания
энергопреобразующей аппаратуры современных СЭП КА и определены
способы повышения энергетической эффективности и оптимизации
габаритно-массовых характеристик СЭП.
Система электропитания автоматического космического аппарата
является одной из важнейших бортовых систем и представляет собой
совокупность источников энергии, нагрузки и энергопреобразующей
аппаратуры, обеспечивающей стабилизацию напряжения выходной шины
питания нагрузки и распределение потоков энергии в СЭП в соответствии с
принятыми законами управления, разработанными на основе заданных
условий эксплуатации КА.
Аппаратура регулирования и контроля (АРК), включающая в свой
состав как требуемый набор энергопреобразующих устройств, так и
необходимые устройства контроля параметров СЭП, согласовывает работу
СБ, АБ и нагрузки. При изменении освещённости СБ и деградации
характеристик СБ и АБ она обеспечивает заданное качество выходного
напряжения в установившихся и переходных режимах, реализацию
оптимальных алгоритмов управления режимами заряда-разряда АБ и
оптимальное использование СБ [1, 2].
Изначально напряжение выходной стабилизированной шины
питания нагрузки СЭП автоматических КА составляло 27-28 В и
наибольшее распространение получила параллельно-последовательная
структура (ППС) СЭП КА, позволяющая обеспечивать съем максимальной
генерируемой солнечной батареей (СБ) мощности, т.е. реализовывать
режим экстремального регулирования мощности (ЭРМ) СБ.
С середины 90-х годов 20 века начали формироваться новые более
жесткие требования к проектируемым СЭП и КА в целом. Возросло
количество решаемых КА задач и увеличилась их энерговооруженность.
Повысились требования к ЭПА СЭП КА, связанные с увеличением
энергетической эффективности, минимизацией габаритно-массовых
характеристик, увеличением уровня надежности и радиационной стойкости,
уменьшением стоимости разработки и изготовления и т.д. В США, Европе
и России четко обозначилась тенденция и целесообразным оказался переход
к повышению выходного напряжения до 100 В и к увеличению срока
активного существования КА до 15 лет.
Применение оптимальной с точки зрения энергетических и
габаритно-массовых характеристик параллельно-последовательной
структуры при проектировании высоковольтных СЭП оказалось
невозможным ввиду достижения недопустимых уровней напряжений БС
(для кремниевых СБ – до 275 В, для арсенид галлиевых СБ – до 220 В),
приводящих к появлению электростатических разрядов между цепочками
фотодиодов и элементами токосъёма, возникновению аварийных ситуаций
и снижению надежности системы. Появились проблемы связанные со
сложностью согласования уровней напряжений источников энергии и
нагрузки с учетом недопущения достижения максимальных критичных
уровней напряжений СБ.
Разработчиками СЭП КА для работы на геостационарной орбите
была принята шунтовая структура СЭП, позволяющая стабилизировать
выходное напряжение на нагрузке с учетом ограничения напряжения на БС
на уровне 100 В в течение всего срока эксплуатации КА. Примерами таких
космических платформ СЭП КА являются: Экспресс-2000 (АО «ИСС» им.
акад. М.Ф. Решетнева, г. Железногорск), Spacebus 4000 (Thales Alenia Space,
Франция), Boeing 702HP (Boeing, США) и др.
Несмотря на значительный созданный научно-технический задел,
отработку результатов и успешную реализацию шунтовых СЭП
автоматических КА, не предоставляется возможным непосредственное
применение этих результатов при реализация высоковольтных СЭП КА
других типов орбит с резкопеременными графиками нагрузки и различными
условиями эксплуатации из-за их низкой энергетической эффективности
ввиду значительного изменения параметров вольт-амперных характеристик
(ВАХ) солнечных батарей. Поэтому исследования и разработки,
направленные на поиск новых технических решений и подходов при
проектировании энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных СЭП
КА с резкопеременными графиками нагрузки и изменяемыми условиями
эксплуатации (например, низкоорбитальных КА дистанционного
зондирования Земли), с повышенной энергетической эффективностью,
надежностью и простотой согласования уровней напряжений источников
энергии и нагрузки являются актуальными.
1. Выбор структуры систем электроснабжения низкоорбитальных космических
аппаратов /Ю.А. Шиняков, А.С. Гуртов, К.Г. Гордеев, С.В. Ивков // Вестник Самарского
государственного аэрокосмического университета. – 2010. – № 1(21). – С. 103-113.
2. Источники энергии систем электроснабжения космических аппаратов :
монография / М.В. Лукьяненко, М. М. Лукьяненко, А. Н. Ловчиков, А. Б. Базилевский ;
Сиб. гос.аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2008. – 174 с.
3. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / Ж.И.
Алферов //Физики и техника полупроводников. – 1998. – Т.32. – № 1. – С. 3-18.
4. Алферов Ж.И. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики
/ Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев // Физика и техника полупроводников. –
2004. – Т. 38. – вып. 8. – С. 937-948.
5. АО «НПП «Квант». История [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://nppkvant.ru/?page_id=2869, свободный (дата обращения: 20.01.2018).
6. TrinaSolar TSM-205 DC80.08 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.taubersolar.de/de/trinasolar-tsm-205-dc8008-1.html,свободный(дата
обращения: 20.01.2018).
7. Solid copper. Stellar results [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://us.sunpower.com/, свободный (дата обращения: 20.01.2018).
8. АО «НПП «Квант». Продукция [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://nppkvant.ru/?page_id=2503, свободный (дата обращения: 20.01.2018).
9. Suntech Power – world’s largest producer of solar panels [Электронный ресурс]. –
Режим доступа: http://www.suntech-power.com/, свободный (дата обращения: 20.01.2018).
10. Yingli Solar: Solar Panels for Homes, Businesses, and Power Plants
[Электронныйресурс].–режимдоступа:
http://www.chnlandsolar.com/,http://www.yinglisolar.com/en/, свободный (дата обращения:
20.01.2018).
11. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с
англ. / Г. Раушенбах. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 360 с.
12. Критерии выбора схемы стабилизации напряжения солнечных батарей для
системы электроснабжения космического аппарата / К.Г. Гордеев, Ю.А. Шиняков, А.И.
Чернышев, В.О. Эльман //Электронные и электромеханические системы и устройства:
СБ. науч. тр. – Новосибирск: Наука, 2007. – 43-48 с.
13. Бордина Н.М. Влияние частичного затенения на характеристики солнечной
батареи / Н.М. Бордина, В.А. Летин // Гелиотехника. – 1988. – №3. – С. 7-14.
14. TrinaSolar TSM-205 DC80.08 – Technische Daten [Электронный ресурс]. –
Режимдоступа:http://www.tauber-solar.de/de/trinasolar-tsm-205-dc8008-1.html,
свободный (дата обращения: 20.01.2018).
15. Поляков С.А. Выбор режима работы солнечных батарей / С.А. Поляков //
Электронные и электромеханические системы и устройства. – 2007. – с. 49-58.
16. Привалов В.Д. Оценка эффективности применения экстремального
регулятора в автономных СЭП / В.Д. Привалов, В.Е. Никифоров // Куйбышев: КПИ. –
1981.
17. Теньковцев В.В. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-
кадмиевых аккумуляторов / В.В. Теньковцев, Б.И. Центер. – Л.: Энергоатомиздат, 1985.
– 96 с.
18. Панков В.С. Особенности эксплуатации никель-водородных аккумуляторов
в буферных режимах / В.С. Панков, А.Г. Хотинцев, Б.И. Центер // Исследования в
области электрохимической энергетики: Сб. науч. тр. ВНИАИ. – Л.: Энергоатомиздат,
1989. – С. 113-118.
19. Устройство контроля заряженности никель-водородного аккумулятора / В.В.
Галкин,Ю.М.Шевченко,А.Н.Кардаш,С.М.Гогонов//Электронныеи
электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. – Новосибирск: Наука, 2007. –
С. 85-87.
20. Груздев А. И. Состояние и перспективы развития производства
высокотехнологичных автономных источников электрической энергии в России / А. И.
Груздев //Электрохимическая энергетика. – 2006. – Т. 6. – № 1. – С. 3 – 29.
21. Кедринский И. А. Литий-ионные аккумуляторы / И. А. Кедринский, В. Г.
Яковлев // Научно-популярное издание. – Красноярск: «Платина», 2002 г. – 268 с., ил.
22.Литий-ионные аккумуляторыкосмическогоназначения(проблемы,
основные направления работ и полученные результаты) / В. В. Галкин, С. Д. Лихоносов,
В. П. Кулыга [и др.] // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых
электро-химических системах : материалы ХI Междунар.конф. ; под ред. М. С.
Плешакова. – Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2010. – С. 278-281.
23.Литий-ионныеаккумуляторыкосмическогоназначения,основные
направления работ и полученные результаты / С. Д. Лихоносов, В. А. Попов, В. П.
Кулыга, Ю. В. Каллут, А.В. Пачуев // Автономная энергетика. – 2014. – № 32. – С. 39-46.
24. J.R. Belt. A capacity and power fade study of Liion cells during life cycle testing
/ Belt J.R., Ho C.D., Motloch C.G. // Power Sources, 2003. – vol. 123. – №2.
25. Knowledge hub. Saft Batteries [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://www.saftbatteries.com/media-resources/knowledge-hub,свободный(дата
обращения: 1.03.2018).
26. Хромов А.В. Литий-ионные аккумуляторные батареи низкоорбитальных
космических аппаратов / А.В. Хромов // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. –
2016. – Т.152. – № 3. – С. 20-28.
27. Guler M. Saft Battery Solutions for Space. August 2015 / M. Guler // Рекламный
материал Saft на авиасалоне МАКС-2015. Москва, – 2015. – 16 с.
28. Системы электропитания для больших платформ на геостационарной орбите
/ В.В. Хартов, Г.Д. Эвенов, В.С. Кудряшов, М.В. Лукьяненко // Электронные и
электромеханические системы и устройства: СБ. науч. тр. – Новосибирск: Наука, 2007. –
С. 7-16.
29. Лётные испытания экспериментального батарейного модуля на основе
литий-ионной аккумуляторной батареи с управляющей и измерительной электроникой /
М. Ю. Фалько, М. В. Нестеришин, В. С. Кудряшов, Л. А. Качин, А. Н. Рачип //
Электронные и электромеханические системы и устройства : Cборник научн. трудов. –
Томск : Изд-во НТЛ. – 2011. – C. 70-81.
30. Pistoia G. Lithium-Ion Batteries Advances and Applications / G. Pistoia. –
Elsevier, The Netherlands, 2014. – 634 p., ill. – (ISBN: 978-0-444-59513-3).
31. Battery Program and Progress / Flora C., Neubauer J., Dembeck J., Pearson C. //
The NASA EMU, 2009. – 30 p.
32. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И.
Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. – Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская
издательская фирма, 1994. – C. 280-284.
33. Еременко В.Г. Выбор структуры автономной системы электроснабжения с
полупроводниковым источником энергии / В.Г. Еременко, А.Б. Токарев, Г.М. Веденеев
// Электротехника. – 1981. – № 9. – С. 38-40.
34. Ю.А. Шиняков. Экстремальное регулирование мощности солнечных батарей
автоматических космических аппаратов / Шиняков Ю.А. // Вестник Самарского
государственного аэрокосмического университета. – 2007. – № 1. – С. 123-129.
35. Шиняков Ю.А. Повышение энергетической эффективности автономных
фотоэлектрических энергетических установок / Ю.А. Шиняков, Ю.А. Шурыгин, О.Е.
Аркатова // Доклады Том. гос.ун-та систем управления и радиоэлектроники. – 2010. –
№2(22), ч. 2, – С. 102-107.
36. Пат. РФ № 2101831, МКИ6 H 02 J 7/35. Система электропитания с
экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи / К. Г. Гордеев,
С. П. Черданцев, Ю. А. Шиняков // Изобретения. – 1998. – №1.
37. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощности
солнечных батарей / Шиняков Ю. А., Гордеев К. Г., Черданцев С. П., Обрусник П. В. //
Труды ВНИИЭМ. Электромеханические устройства космических аппаратов. – М., 1997.
Т.97. – С. 83-92.
38. Анализ потерь мощности в шунтовом стабилизаторе напряжения
короткозамыкающего типа / А. В. Гордеев, Н. Н. Горяшин, А. С. Сидоров // Вестник
Сибирского государсвенного аэрокосмического универсистета имени академика М.Ф.
Решетнева. – 2012. – с. 17-22.
39. Multiple Port DC-DC Converter for Spacecraft Power Conditioning Unit / O.
Mourra, A. Fernandez, F. Tonicello, S. Landstroem // Applied Power Electronics Conference
and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, 5-9 Feb. 2012. – 1278-1285.
40. Weinberg Alan, O Sullivan Dermot, “The sequential Serial Shunt Regulator -S³R”,
Proceedings of the Third ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar, Noordwijk, The
Netherlands, 21-23 September 1977, 6049190.
41. Spacecraft power system H02J 9/06, H02J 7/35, H01M 10/46, B64G 1/44, H02J
7/00 Space Systems/Loral, Inc. 13.04.1998 09059224, 11.04.2000 6049190.
42. Лесных А.Н. Автоматизация проектирования систем электропитания
космических аппаратов с шунтовыми стабилизаторами напряжения: автореф. дис. на
соис. учен. степ. канд. тех. наук (1.03.2018) / Лесных Андрей Николаевич; Сибирский
государственный аэрокосмический университет. – Красноярск, 2009. – 24 с.
43. BigSlide, Презентация на тему Солнечные батареи [Электронный ресурс]. –
Режим доступа: https://bigslide.ru/fizika/19139-solnechnie-batarei.html, свободный (дата
обращения: 10.03.2018).
44. Wikipedia, Импульсный стабилизатор напряжения [Электронный ресурс]. –
Режимдоступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/импульсный_стабилизатор_напряжения,
свободный (дата обращения: 10.03.2018).
45. Radiohlam.ru, Теория работы и расчёт неизолированного понижающего
преобразователя [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://radiohlam.ru/?p=12141,
свободный (дата обращения: 1.04.2018).
46. Wikipedia, Buck converter [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter, свободный (дата обращения: 1.04.2018).
47. MaximIntegrated, DC-DC Converter Tutorial [Электронный ресурс]. – Режим
доступа:https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/2031,свободный
(дата обращения: 1.04.2018).
48. Джерелей Б. Н., Джерелей О. Б. Глаза и компьютер. Как сохранить зрение
//М.: АСТ. – 2006.
49. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным
электронно-вычислительным машинам и организации работы. Минздрав России, М. –
2003.
50. СанПиН 2.2.4.1191–03. Электромагнитные поля в производственных
условиях. Минздрав России, М. – 2003.
51. СанПиН 2.2.2-542-96. Гигиенические требования к видеодисплейным
терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации
работы. Госкомсанэпиднадзор РФ от 14 июля 1996 г. N 14.
52.СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых,
общественных зданий и на территории жилой застройки. Госкомсанэпиднадзор РФ от 31
октября 1996 г. N 36.
53. Малаян К. Р. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность при работе с
компьютером //СПб.: Изд-во СПбГТУ. – 2000.
54. Ефремова О. С. Требования охраны труда при работе на персональных
электронно-вычислительных машинах. – М. : Альфа-Пресс, 2008.
55. Трудовой кодекс Российской Федерации. Официальный текст. – М.:
Пропаганда: Омега-Л, 2002. – 176 с.: ил. – (Российская правовая библиотека).
56.СНиП23-05-95.Естественноеиискусственноеосвещение.Утв.
постановлением Минстроя РФ от 2 августа 1995 г. N 18-78
57.СанПиН2.2.4.548-96.Гигиеническиетребованиякмикроклимату
производственных помещений. Утв. Постановлением Госкомсанэпиднадзора России от
1 октября 1996 г., N 21.
58. Радио Лоцман, Использование датчика тока ACS712 [Электронный ресурс].
– Режим доступа: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=113339, свободный
(дата обращения: 15.04.2018).
59. Федеральный закон от 24.07.1998 N 125-ФЗ «Об обязательном социальном
страховании от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний».
60. Трудовой кодекс Российской Федерации. Официальный текст. – М.:
Пропаганда: Омега-Л, 2002. – 176 с.: ил. – (Российская правовая библиотека).
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.6 (71 отзыв)
5 (8 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4 (15 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.6 (30 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
